În această prelegere vom începe să analizăm modul în care caracteristicile atmosferice, cum ar fi temperatura aerului, presiunea aerului și densitatea aerului se schimbă cu altitudinea. În cazul presiunii aerului, dacă înțelegem mai întâi ce este presiunea, va fi ușor să determinăm cum se schimbă pe măsură ce vă deplasați vertical prin atmosferă.

În versiunea de curs a acestei clase, o bară de fier de 52 inch lungime, 1 inch pe 1 inch este de obicei trecută în clasă la începutul acestui subiect. Elevii sunt rugați să ghicească greutatea barei (în general, supraestimează adevărata sa greutate). Vom reveni la acest lucru mai târziu în curs.

cursul


În unele manuale veți găsi masa definită ca „cantitate de lucruri” sau „cantitate dintr-un anumit material”. Alte cărți vor defini masa ca inerție sau ca rezistență la schimbarea mișcării (aceasta provine din a doua lege a mișcării lui Newton, ceva ce vom acoperi mai târziu în semestru). Imaginea următoare ilustrează ambele definiții. Un Cadillac și un Volkswagen s-au blocat amândoi într-o intersecție. Ambele mașini sunt fabricate din oțel. Cadillac este mai mare și are mai mult oțel, mai multe lucruri, mai multă masă. Cadillac se va mișca mai greu decât VW, are o inerție mai mare (Cadillac ar fi, de asemenea, mai greu de încetinit, odată ce se mișcă, decât Volkswagen).



Pe pământul unde atracția gravitației nu se schimbă niciodată, orice trei obiecte care au toate aceeași masă (chiar dacă au volume diferite și sunt realizate din materiale diferite) ar avea întotdeauna aceeași greutate. Există destul de puține informații ascunse în termenul de accelerație gravitațională. Faceți clic aici pentru mai multe detalii.




Un obiect transportat de pe pământ pe lună va avea aceeași masă. Cu toate acestea, atracția gravitațională dintre obiect și lună este mai mică decât pe pământ. Deci obiectul cântărește mai puțin pe lună decât pe pământ.

Densitatea aerului va crește frecvent în această clasă. Densitatea este definită ca masa împărțită la volum.




Aerul care înconjoară pământul are masă. Gravitația trage în jos atmosfera dându-i greutate. Galileo a efectuat (în anii 1600) un experiment simplu pentru a demonstra că aerul are greutate.

Presiunea este definită ca forța împărțită la suprafață. Presiunea aerului este greutatea atmosferei aeriene împărțită la aria pe care se sprijină aerul. Presiunea atmosferică este determinată de și vă spune ceva despre greutatea aerului deasupra capului. Aceasta este o modalitate, un fel de reprezentare la scară largă, de a înțelege presiunea aerului.


În condiții normale, o coloană de aer de 1 inch cu 1 inch care se întinde de la nivelul mării până la vârful atmosferei va cântări 14,7 kilograme. Presiunea atmosferică normală la nivelul mării este de 14,7 lire pe inch pătrat (psi, unitățile pe care le folosiți atunci când vă umpleți anvelopele pentru mașină sau bicicletă cu aer).


Iată unde intră bara de oțel. Bara de oțel cântărește exact 14,7 kg Oțelul este mult mai dens decât aerul, așa că o bară de oțel trebuie să aibă o înălțime de doar 52 de centimetri pentru a avea aceeași greutate ca o coloană de aer care este de 100 mile sau mai mare. Deoarece baza barei are dimensiuni de 1 "x 1" (1 inch pătrat), presiunea din partea de jos a barei este de 14,7 psi. Un teanc de nouăzeci și patru de cărămizi de 5 lire ar cântări 470 de lire sterline. Grămada de cărămizi este mult mai grea, dar este așezată și pe o zonă mult mai mare. Presiunea la baza grămezii de cărămidă ar fi de 470 de lire sterline împărțită la 32 de inci pătrate (latura unei cărămizi are dimensiuni de aproximativ 4 x 8 inci) sau aproximativ 14,7 psi.

Iată câteva dintre celelalte unități de presiune utilizate în mod obișnuit.


Presiunea tipică a nivelului mării este de 14,7 psi sau aproximativ 1000 de milibari (unitățile utilizate de meteorologi și unitățile pe care le vom folosi în această clasă de cele mai multe ori) sau aproximativ 30 de centimetri de mercur (se referă la citirea pe un barometru de mercur).



Fiecare cărămidă cântărește 5 kilograme. În partea de jos a teancului înalt de 5 cărămizi ai măsura o greutate de 25 de lire sterline. Dacă mutați o cărămidă în sus, ați măsura o greutate de 20 de lire sterline, greutatea celor patru cărămizi aflate încă deasupra. Pentru a obține presiunea, ar trebui să împărțiți la zonă. Ar trebui să fie clar că greutatea și presiunea vor scădea pe măsură ce urcați grămada.

În atmosferă, presiunea la orice nivel este determinată de greutatea aerului încă deasupra capului. Presiunea scade odată cu creșterea altitudinii, deoarece rămâne din ce în ce mai puțin aer peste cap.


La altitudinea nivelului mării, la punctul 1, presiunea este în mod normal de aproximativ 1000 mb. Aceasta este determinată de greutatea tuturor (100%) aerului din atmosferă.

Unele părți din Tucson, la punctul 2, sunt la 3000 de picioare deasupra nivelului mării (cea mai mare parte a văii este puțin mai mică decât aceasta, în jur de 2500 de picioare). La 3000 ft. aproximativ 10% din aer este sub, 90% este încă deasupra capului. Greutatea celor 90% care este încă deasupra determină presiunea atmosferică în Tucson. Dacă 100% din atmosferă produce o presiune de 1000 mb, atunci 90% va produce o presiune de 900 mb.

Presiunea este de obicei de aproximativ 700 mb la vârful Muntelui. Lemmon (9000 ft. Altitudine la punctul 3) și 70% din atmosferă este deasupra capului.

Presiunea scade rapid odată cu creșterea altitudinii. Vom constata că presiunea se schimbă mai încet dacă vă deplasați orizontal. Dar micile schimbări orizontale sunt cele care fac ca vântul să sufle și ceea ce face ca furtunile să se formeze.

Punctul 4 arată un submarin la o adâncime de aproximativ 30 ft. Presiunea este determinată de greutatea aerului și de greutatea apei. Apa este mult mai densă și mult mai grea decât aerul. La 33 ft., Presiunea este deja de două ori mai mare decât ar fi la suprafața oceanului (2000 mb în loc de 1000 mb).

Presiunea aerului scade odată cu creșterea altitudinii. Rata de scădere a presiunii depinde de densitatea aerului. Presiunea scade cel mai rapid odată cu creșterea altitudinii în aerul cu densitate mare.


Punctul 1 - Observați că există o scădere de presiune de 100 mb în ambele straturi de aer. Pentru ca acest lucru să fie adevărat, ambele straturi trebuie să aibă aceeași greutate. Pentru ca ambele straturi să aibă aceeași greutate, acestea trebuie să conțină aceeași cantitate de aer, au aceeași masă.

Punctul 2a - Presiunea scade 100 mb pe o distanță relativ scurtă. Acest lucru produce o rată relativ rapidă de scădere a presiunii odată cu creșterea altitudinii.
Punctul 2b - Presiunea scade, de asemenea, 100 mb, dar pe o distanță mai mare. Presiunea scade într-un ritm mai lent în acest strat.

Punctul 3 - Stratul din stânga este mai dens decât aerul din stratul din dreapta. Aceeași cantitate de aer este presată într-un strat mai subțire, un volum mai mic, în stratul din stânga. Acest lucru are ca rezultat aer cu densitate relativ mare.

Faptul că rata presiunii scade odată cu creșterea altitudinii depinde de densitatea aerului este un concept destul de subtil, dar important. Acest concept va apărea de 2 sau 3 ori mai târziu în semestru. De exemplu, vom folosi acest concept pentru a explica de ce uraganele se pot intensifica și deveni la fel de puternice ca și ele.

Barometrele cu mercur sunt utilizate pentru măsurarea presiunii atmosferice. Un barometru cu mercur este într-adevăr doar o balanță care poate fi utilizată pentru a cântări atmosfera.


Instrumentul din figura din stânga de mai sus (un tub de sticlă în formă de u umplut cu un lichid de un fel) se numește de fapt manometru și poate fi utilizat pentru a măsura diferența de presiune. Cele două capete ale tubului sunt deschise, astfel încât aerul să pătrundă în interior și presiunea aerului să poată apăsa pe lichid. Având în vedere că nivelurile de lichid de pe cele două părți ale manometrului sunt egale, ce ați putea să aveți despre PL și PR?

Lichidul se poate lăsa înainte și înapoi la fel ca vasele de pe o balanță se pot deplasa în sus și în jos. Un manometru se comportă într-adevăr la fel ca un echilibru pan (ilustrat în dreapta). Deoarece cele două tigăi sunt în echilibru, cele două coloane de aer au aceeași greutate.

PL și PR sunt egale (rețineți că nu știți cu adevărat ce presiune este, doar că sunt egale).

Acum situația este puțin diferită, nivelurile lichidului nu mai sunt egale. Probabil vă dați seama că presiunea aerului din stânga, PL, este puțin mai mare decât presiunea aerului din dreapta, PR. PL este acum echilibrat de PR + P acționând împreună. P este presiunea produsă de greutatea fluidului suplimentar din partea dreaptă a manometrului (fluidul care se află deasupra liniei punctate). Înălțimea coloanei de lichid suplimentar oferă o măsură a diferenței dintre PL și PR.

Apoi vom merge și vom închide partea dreaptă a manometrului.





Presiunea aerului nu mai poate intra în tubul potrivit. Acum, la nivelul liniei punctate, echilibrul este între Pair și P (presiunea de lichidul suplimentar din dreapta). Dacă Perechea se schimbă, înălțimea coloanei din dreapta, h, se va schimba. Acum aveți un barometru, un instrument care poate măsura și monitoriza presiunea atmosferică. (unele dintre litere au fost tăiate în partea din dreapta sus a figurii din stânga, ar trebui să citească „fără presiune a aerului”)

Barometrele de acest fel sunt de obicei umplute cu mercur. Mercurul este un lichid. Aveți nevoie de un lichid care poate să se întoarcă înainte și înapoi ca răspuns la modificările presiunii aerului. Mercurul este, de asemenea, foarte dens, ceea ce înseamnă că barometrul nu va trebui să fie la fel de înalt ca și cum ai folosi ceva ca apa. Un barometru de apă ar trebui să aibă o înălțime de peste 30 de picioare. Cu mercur, veți avea nevoie doar de o coloană înaltă de 30 de inci pentru a echilibra greutatea atmosferei la nivelul mării în condiții normale (amintiți-vă de 30 de inci de unități de presiune cu mercur menționate anterior). Mercurul are, de asemenea, o rată scăzută de evaporare, astfel încât să nu aveți prea mult gaz de mercur în partea superioară a tubului drept (vaporii de mercur ar face pericolul unei scurgeri de mercur în clasă).

Iată un design mai convențional al barometrului. Vasul de mercur este de obicei acoperit în așa fel încât să poată simți schimbările de presiune, dar să nu se evapore și să umple camera cu vapori de mercur otrăvitori.


Figura de mai sus prezintă valorile medii ale presiunii la nivelul mării. 1000 mb sau 30 inci de mercur sunt suficient de aproape în această clasă.

Presiunile la nivelul mării scad de obicei între 950 mb și 1050 mb.

Majoritatea valorilor record ale presiunii scăzute au fost stabilite de uragane intense (presiunea scăzută extremă este motivul pentru care aceste furtuni sunt atât de intense). Uraganul Wilma în 2005 a stabilit un nou record de citire a presiunii la nivelul mării scăzut pentru Atlantic, 882 mb. Uraganul Katrina a avut o presiune de 902 mb. Următorul tabel listează câteva informații despre uraganele puternice care au afectat SUA. Trei dintre cele mai puternice 10 uragane din nordul Atlanticului au avut loc în 2005, anul în care Katrina a lovit New Orleans-ul.